Haben Sie schon einmal etwas ähnlich Ärgerliches erlebt? Sie wollen gerade das Haus verlassen und stellen fest, dass Sie vergessen haben, Ihr Mobiltelefon aufzuladen. Oder Sie sind unterwegs und erinnern sich erst jetzt daran, dass Ihr Elektrofahrzeug geladen werden muss. Die Integration von Festkörperbatterien in Elektrofahrzeuge, Elektronik und Energiespeichersysteme wird, sobald sie realisiert ist, dafür sorgen, dass Probleme wie diese der Vergangenheit angehören. Festkörperbatterien haben das Potenzial, schneller zu laden und länger zu halten, und sind dabei gleichzeitig eine sicherere Option. Simulationen können Batterieentwicklern dabei helfen, Festkörperbatterien zu untersuchen, um ihre Eignung für zukünftige Anwendungen besser vorhersagen zu können.
Die Festkörperbatterie: Eine mit Spannung erwartete Entwicklung
Festkörperbatterien (solid-state batteries, SSB) verwenden einen festen Elektrolyten, um Ionen zwischen beiden Elektroden zu leiten, während herkömmliche Akkus einen flüssigen Elektrolyten oder ein Gelpolymer verwenden. Dieser Unterschied verleiht Festkörperbatterien zahlreiche Vorteile gegenüber Lithium-Ionen-Batterien, wie beispielsweise eine längere Lebensdauer. Aktuell halten die Batterien in Elektrofahrzeugen in der Regel 5 bis 8 Jahre, während Elektrofahrzeuge mit Festkörperbatterien diese Lebensdauer auf 15 bis 20 Jahre verlängern könnten. Darüber hinaus weist eine durchschnittliche Lithium-Ionen-Batterie nach 1000 Ladezyklen eine Leistungsminderung auf, während eine SSB nach 5000 Zyklen noch 90 % ihrer ursprünglichen Kapazität behalten könnte (Ref. 1).
Durch den Einbau von Festkörperbatterien in Elektrofahrzeuge verkürzt sich die Ladezeit erheblich. Foto von Haberdoedas aufUnsplash.
Festkörperbatterien können einen Ladezyklus auch wesentlich schneller abschließen als andere Batterietypen. Während eine typische Lithium-Ionen-Batterie etwa 45 Minuten benötigt, um 80 % seiner Ladekapazität zu erreichen, kann eine Festkörperbatterie dieselbe Ladekapazität in 12 Minuten oder sogar in nur 3 Minuten erreichen. Festkörperbatterien sind außerdem sicherer für den Verbraucher. Da sie keinen flüssigen Elektrolyten enthalten, sind sie wesentlich weniger entflammbar und flüchtig als andere Optionen. Darüber hinaus bieten sie durch den Verzicht auf flüssige Elektrolyte und Kohlenstoffanoden eine höhere Energiespeicherdichte (Ref. 1).
Eine Designherausforderung für Jahrzehnte
Der Festelektrolyt wurde erstmals in den frühen 1830er Jahren vom Physiker Michael Faraday entdeckt, und seitdem sind seine Mechanismen und potenziellen Anwendungsmöglichkeiten Gegenstand der Forschung. Heute, in den 2020er Jahren, investieren zahlreiche Automobilhersteller, Elektronikunternehmen und Forschungseinrichtungen einen Großteil ihrer Forschungs- und Entwicklungsmittel in Festkörperbatterien. Die Erforschung und Entwicklung von Batterien ist jedoch ein kostspieliger und ressourcenintensiver Prozess. Simulationen können Batterieentwicklern dabei helfen, Designherausforderungen bei verschiedenen Betriebsbedingungen und Anwendungsfällen zu untersuchen.
Festkörperbatterien unterliegen einem Phänomen namens Lithiation, bei dem die Elektroden innerhalb der festen Komponenten der Batterie wachsen und schrumpfen, was zu mechanischer Belastung führt. Darüber hinaus verursacht die Bewegung von Ionen in den Batterien während der Lade- und Entladezyklen Belastungen und Volumenänderungen. Diese Probleme können zu einer verkürzten Lebensdauer und Energiespeicherkapazität der Batterien bis hin zu mechanischen Ausfällen führen.
Zur Analyse des Designs einer Festkörperbatterie kann Multiphysik-Modellierung eingesetzt werden. Anhand des Tutorial-Modells Heterogeneous Model of a Solid-State Battery Unit Cell tutorial model können wir den Modellierungsprozess in der Software COMSOL Multiphysics® nachvollziehen.
Modellierung einer Festkörperbatterie in COMSOL Multiphysics®
Das Tutorial-Modell Heterogeneous Model of a Solid-State Battery Unit Cell simuliert den Lade- und Entladezyklus in einer Festkörperbatterie, insbesondere die Wechselwirkung zwischen Ladungs- und Stofftransport und Festkörpermechanik. Die Modellgeometrie besteht aus einer positiven Verbund-Elektrode, einer negativen Lithiummetall-Elektrode und einem Festelektrolyt-Separator zwischen den beiden Elektroden.
Die Geometrie des Festkörperbatterie-Modells.
Spezialisierte Physik-Interfaces und Features vereinfachen die Einrichtung des Modells. Die Erhaltung von Ladung, Masse und Impuls kann mit den Interfaces Lithium-Ion Battery, Transport in Solids und Solid Mechanics modelliert werden. Darüber hinaus stehen weitere Features zur Verfügung, mit denen die Plattierung an der negativen Elektrode, das Wachstum und Schrumpfen der positiven Elektrode und die Redox-Reaktion an der Elektroden-Festelektrolyt-Grenzfläche modelliert werden können.
Das Festkörperbatterie-Modell und die Physikeinstellungen in COMSOL Multiphysics®.
Die Simulation der heterogenen Festkörperbatterie bewertet bestimmte Größen am Ende des Ladevorgangs, darunter das elektrische und ionische Potenzial sowie die Von-Mises-Spannung im Festelektrolyten.
Elektrisches Potential (links), Konzentration in der positiven Elektrode (Mitte) und Spannungen im Festelektrolyten (rechts).
Die Ergebnisse umfassen auch die Bewertung globaler Größen, darunter die Zellspannung, der Ladezustand und die Belastung in z-Richtung der Batterie.
Den Weg für Festkörperbatterien ebnen
Die Untersuchung der Funktionsweise von Festkörperbatterien mittels Simulation kann Forscher, Automobilhersteller und Elektronikunternehmen dabei unterstützen, Festkörperbatterien in den kommenden Jahren – und nicht erst in Jahrzehnten – in Komponenten und Geräte zu integrieren.
Probieren Sie das Tutorial-Modell Heterogeneous Model of a Solid-State Battery Unit Cell selbst aus, indem Sie auf die Schaltfläche unten klicken. Wir empfehlen Ihnen, die folgenden Add-On-Produkte zu COMSOL Multiphysics® zu verwenden: Battery Design Module, CAD Import Module, Structural Mechanics Module und Nonlinear Structural Materials Module.
Weitere Ressourcen
- Modellierung von Nichtidealitäten in der elektrochemischen Impedanzspektroskopie
- Simulation der Wärmeausbreitung in einem Akkupack
- Definition von Lastzyklen in Akku-Modellen
Referenz
- Shang et al., “A comprehensive review of solid-state lithium batteries: Fast Charging characteristics and in-operando diagnostics,” Nano Energy, vol. 142, part B, 2025. Doi: 10.1016/j.nanoen.2025.111232
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